激光干涉仪技术及发展
激光干涉测量技术
数字处理
A O
C
B
O’
D
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
3）位置跟踪控制系统
误差分析：
激光干涉测量过程中，由于跟踪转镜的转角不参与对测量值的计算，所以只要在 运动过程中能保证干涉仪能进行干涉测量，不丢光，就能完成测量任务。电气系统 的稳态误差不会对测量精度产生影响。
A O
C
B
O’
D
光电池位置偏差对干涉仪测量精度的影响：光电池位置偏差对激光跟踪干涉仪测距精度影响不大，
新建立4个约束方程，可见存在一个冗余方程。
A B
D 3）只要增加动点数，使得冗余的约束方程个数大于或等于系统
未知参数，就可对系统进行标定。
C
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
解决自标定问题 四路激光跟踪干涉测量系统——引入n个动点
1）两点间距离公式，可建立4n个约束方程。 2）同时引入了3n个未知量（每个动点的x、y、z坐标）。 3）系统原有的未知量 共3×(4+1)＝15个
激光干涉仪应用及跟踪干涉测量技术
三路激光跟踪干涉测量系统
每一路激光跟踪干涉仪实时跟踪目标镜运动，并测量出目标镜到 跟踪转镜中心的相对长度变动量。
•如果动点到基点的初始长度已知，
P
那么动点移动后，其到基点的距离也就可以确定。
A B
•如果三个基点的相对位置关系也已知， 那么空间种运动目标的位置也就唯一确定。
基点1
基点2
基点3
基点4
基点5
L1 (x0 xb1)2 ( y0 yb1)2 (z0 zb1)2
初 始
L2 (x0 xb2 )2 ( y0 yb2 )2 (z0 zb2 )2
工程类第二章激光干涉测量技术上
智能化测量将提高测量精度和效 率，降低人为误差和操作成本。
添加标题
添加标题展趋势包括实时数据处理、 自动校准和自我诊断功能。
激光干涉测量技术将进一步拓展 应用领域，如智能制造、医疗和 航空航天等。
01
激光干涉测量技术的实际应用案例
激光干涉仪在长度测量中的应用
测量原理：基于激光干涉原理，通过测量干涉条纹的数量来确定长度 应用场景：生产线上的长度测量、精密加工中的定位和测量、科学研究中的长度测量等 优势特点：高精度、高稳定性、非接触式测量等 未来发展：随着激光干涉测量技术的不断进步，其在长度测量领域的应用将更加广泛和精确
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激光干涉仪在振动测量中的应用
激光干涉仪的原理 振动测量中的应用场景 实验结果及分析 未来发展方向
激光干涉仪在光学元件检测中的应用
光学元件检测的必要性 激光干涉仪的工作原理 激光干涉仪在光学元件检测中的应用案例 激光干涉仪在光学元件检测中的优势与局限性
激光干涉仪在表面粗糙度测量中的应用
激光干涉仪的工作原理 表面粗糙度测量的重要性 激光干涉仪在表面粗糙度测量中的应用案例 激光干涉仪在表面粗糙度测量中的优势与局限性
远程测量：激光干涉测量技术可以实现远程测量，无需直接接触被测物体，具有广泛的应用前景。
抗干扰能力强：激光干涉测量技术具有较强的抗干扰能力，能够在复杂的环境下实现稳定的测量。
缺点
设备成本高昂 对环境条件要求较高 测量精度易受干扰影响 需要专业操作人员和维护
01
激光干涉测量技术的发展趋势
高精度测量
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激光干涉测量技术
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激光干涉测量技术在机器视觉中的应用
激光干涉测量技术在机器视觉中的应用随着科技的发展，机器视觉技术在工业、医疗、安防等领域得到了广泛的应用。
其中一个关键的技术就是激光干涉测量技术，它可以实现高精度的三维测量和重建，为机器视觉提供了很好的基础。
本文将就激光干涉测量技术在机器视觉中的应用做一些介绍。
一、激光干涉测量技术的基本原理激光干涉测量技术是基于激光的干涉原理来实现的。
当激光通过半透反射镜射入其中，其中一束激光与反射后的另一束激光在空间中相遇时，会发生干涉现象。
通过监测干涉光的相位变化，可以计算出物体表面的形状和距离信息，实现高精度三维测量和重建。
二、激光干涉测量技术在机器视觉中的应用1. 激光扫描仪激光扫描仪是激光干涉测量技术在机器视觉中最典型的应用之一。
利用激光扫描仪，可以对物体进行非接触式三维测量和重建，在三维CAD建模、产品设计、品质控制等方面都有着广泛的应用。
同时，激光扫描仪也常常被用于文物、建筑、遗迹等文化遗产的数字化保护和修复。
2. 光学比对在含有大量机械零件的生产流程中，为了确保每个工件都达到了预期的尺寸和形状要求，需要进行准确的测量和比对。
利用激光干涉测量技术，可以实现高精度非接触式测量，并将其与标准零件进行比对，从而判断其合格性。
这种方法不仅有效提高了生产效率，也保证了产品质量。
3. 机器人定位激光干涉测量技术也可以用于机器人的位姿测量和定位。
通过在机器人上安装激光发射器和接收器，可以实现机器人对物体的位置和方向信息的精确感知，从而实现对物体的准确抓取和操作。
这种方法被广泛地应用于智能制造和自动化生产领域，提高了生产效率和品质。
三、激光干涉测量技术的前景和挑战激光干涉测量技术在机器视觉中的应用前景十分广阔。
在未来，它将应用于更多领域，如智能家居、医疗器械、汽车制造等。
然而，激光干涉测量技术在应用中也存在着一些挑战。
例如，激光扫描仪需要精确的调试和校准，而且在光线反射较强的环境中易受到外界物体的干扰。
此外，激光干涉测量技术的应用成本较高，对仪器设备和技术人员都有较高的要求。
激光干涉仪在机床精度检测中的应用
激光干涉仪在机床精度检测中的应用一、激光干涉仪的原理及特点激光干涉仪是一种通过激光光束的干涉现象来测量长度、角度、位移等物理量的仪器。
其原理是利用激光器发射出的一束平行光束，经分束器分成两束光，分别射向被测量的表面，当两束光线并行射向被测表面时，其中一束光线通过反射或透射产生光程差，再经干涉，使两束光合成发生干涉条纹。
通过干涉条纹的形成和移动来测量被测量器件的长度、角度、位移等信息。
激光干涉仪具有高精度、非接触、快速测量、适用于不同材料和形状的表面等优点。
激光干涉仪在机床精度检测中得到了广泛的应用。
1. 几何误差检测在机床的使用过程中，由于零部件的磨损、变形以及装配误差等原因，会导致机床发生几何误差，进而影响加工精度。
激光干涉仪可以通过测量机床各部位的位移和形态变化，实时监测机床的几何误差，准确地识别机床的变形情况，以及对机床进行实时调整和修正，保证机床的加工精度。
2. 运动精度检测机床在加工过程中是需要进行各种轴向或者回转的运动，而这些运动需要保证其稳定性和精度。
激光干涉仪可以通过测量机床各轴的运动轨迹和变换，提供准确的运动精度数据，及时发现运动中的误差和振动，帮助调整机床的运动参数，保证加工的精准度。
3. 工件加工精度检测除了机床本身的精度，工件的加工也是影响加工精度的重要因素。
激光干涉仪可以通过测量工件的表面形态、平整度等参数，判断工件的加工质量，为机床运行参数的优化提供准确的数据支持。
1. 高精度激光干涉仪可以实现亚微米级别的精度，远高于传统的测量方法，可以满足精密加工对精度的要求。
2. 非接触激光干涉仪的测量过程是无需接触被测物体的，可以保证被测物体的表面不受干扰，避免了因接触而带来的误差。
3. 高效率激光干涉仪的测量速度快，可以实现实时监测和测量，提高了机床精度的调整效率。
4. 适用性广激光干涉仪适用于各种不同材质和形状的表面，可以满足不同机床和工件的精度检测需求。
四、激光干涉仪在机床精度检测中的发展前景随着人工智能和大数据技术的发展，激光干涉仪将更加智能化、自动化，可以通过数据分析和处理，实现机床的智能维护和优化，进一步提高机床的稳定性和精度。
激光干涉仪原理及应用概述
激光干涉仪原理及应用概述激光干涉仪的原理可以简单介绍为以下几个步骤：首先，激光器产生激光光束，通过光学系统使光束变得平行。
然后，光束被分成两束，一束作为参考光束，另一束作为测量光束。
参考光束被发送到一个参考反射镜上反射回来，而测量光束则被发送到被测物体上，然后反射回来。
参考光束和测量光束在一个光学平台上交汇，形成干涉条纹。
通过观察、记录和分析干涉条纹的形态变化，可以得到被测物体的表面形貌或者其他参数。
1.工业制造：激光干涉仪可以用于测量工件的平面度、圆度、直线度等形貌参数，用于质量控制和优化生产过程。
2.精密测量：激光干涉仪可以进行亚微米级的位移测量，被用于精密仪器的研发和生产。
3.表面形貌测量：激光干涉仪可以测量微观表面的凹凸及表面光滑度，广泛应用于材料科学、纳米科技等领域。
4.生物医学：激光干涉仪可以测量生物组织的变形、变量等参数，用于医学研究和医疗诊断。
5.振动分析：激光干涉仪可以对机械部件或振动体进行振动频率、幅度等参数的测量，用于机械工程的研究和调试。
激光干涉仪的应用还在不断拓展和发展，不仅可以实现高精度的测量，还可以配合其他技术如像散斑技术、数码图像处理等进行更精确的测量和分析。
此外，随着激光技术的发展，激光干涉仪的体积和成本也在不断降低，有助于其在各个领域的广泛应用。
总之，激光干涉仪作为一种高精度测量仪器，具有广泛的应用前景。
它可以实现精确测量、快速响应和非接触测量等特点，被用于各个领域的研究和应用。
随着技术的进一步发展，激光干涉仪将会在更多领域得到应用，为科学研究和工业生产提供更多的支持和解决方案。
激光干涉仪在物理研究中的应用
激光干涉仪在物理研究中的应用激光干涉仪是一种基于激光的精密测量仪器，具有高精度、高分辨率、高灵敏度、高稳定性等特点。
它可以用于测量光程差、位移、形貌、波前畸变等物理量，在物理学、光学、材料科学、生物医学、机械制造等领域得到了广泛应用。
一、激光干涉仪的基本原理激光干涉仪基于光干涉原理，比较两个光程差的相位差来测量物理量。
其基本结构由激光源、分束器、样品、合束器、检测器等组成。
当激光束照射到分束器上时，会被分成两个光束，一个经过参考光路反射出来，一个经过样品光路或待测光路后反射出来，两个光束再经过合束器合成，形成干涉光。
当待测光路与参考光路的光程差发生改变时，由于光的相干性，干涉光的相位也会发生变化，通过检测器测量干涉光的相位差变化，就可以得到待测光路与参考光路的光程差。
二、激光干涉仪的应用1.表面形貌测量激光干涉仪可以准确地测量物体表面的高度、形状、表面粗糙度等物理量，广泛应用于工业制造、材料科学、光学成像、地质勘探等领域。
例如，研究人员可以利用激光干涉仪测量人类牙齿表面的微小变形，以研究牙齿结构和功能。
2.液体流速测量激光干涉仪可以利用激光束对流体进行横向扫描，通过测量传播到检测器上的干涉光的相位差变化，可以计算出流体的速度分布和流量。
这种方法广泛用于船舶液体流场测试、水利工程流量监测、工业制造过程流体流动分析等领域。
3.纳米位移测量激光干涉仪可以测量物体的纳米位移量，精度可以达到亚纳米级别。
利用这种方法，可以研究纤维、微电子器件、纳米材料等体系的变形、扭转、压缩等运动和变化量。
4.物体加工质量监测激光加工通常需要在线检测来保证工艺质量。
激光干涉仪可以实时、在线监测激光加工过程中物体表面的形貌、位置、尺寸等物理量，避免加工缺陷和误差的出现，提高加工产品的质量和精度。
5.光学元件测试激光干涉仪可以用于测试和监测光学元件的表面粗糙度、形状误差、面内波前畸变等物理量，以确定光学元件的质量和性能。
三、激光干涉仪的发展趋势随着科学技术的不断进步和发展，激光干涉仪将会越来越广泛地应用于科学研究和工业制造等领域。
激光干涉仪原理及应用
激光干涉仪原理及应用
激光干涉仪是一种利用激光光束干涉现象进行测量和检测的仪器。
它利用激光的单色性、相干性和定向性等特点，通过激光光束的干涉现象来测量光线的相位和波前差，从而达到测量目的。
激光干涉仪的原理和应用都具有重要的科学研究价值和实际应用意义。
激光干涉仪的原理可以简单描述为：两束激光光束通过分束器分开，分别在一边经过样品（或目标物）后再次合并在一起，然后通过干涉物后进入光电探测器进行信号采集。
当两束光经过样品后的相位有差异时，就会产生干涉，形成干涉条纹。
通过观察和分析干涉条纹的变化，可以得到样品的相关信息，如形状、厚度、折射率等。
激光干涉仪的原理中，常见的有两种干涉方式，即自由空间干涉和光纤干涉。
自由空间干涉指的是激光光束在空气中进行干涉，可用于测量样品的曲率、平面度、倾斜度等参数。
而光纤干涉则是将激光光束传输到光纤中进行干涉，可用于对光纤的插入损耗、光纤传输的延迟等进行测量。
激光干涉仪的应用非常广泛。
首先，在科学研究中，激光干涉仪可用于测量光学元件的表面形貌，如透镜、棱镜等，以及光学薄膜的厚度和折射率。
其次，激光干涉仪在工业领域中也得到广泛应用，如测量金属工件的平面度、光滑度等，以及检测半导体器件的曲率、形状等。
此外，激光干涉仪还可用于测量纳米颗粒、生物细胞和薄膜等微小尺度的物体，应用于生物医学领域，如细胞生长的监测、精确测量等。
总之，激光干涉仪作为一种精密测量和检测仪器，在科学研究和工业应用中具有重要意义。
其原理的理解和应用的熟练掌握可推动光学测量和微纳技术的发展，为实现精确测量和控制提供基础和技术支持。
机械振动测量的激光干涉技术原理及其应用
机械振动测量的激光干涉技术原理及其应用一、激光干涉技术概述1.1 激光干涉技术简介激光干涉技术是一种基于激光干涉现象的测量技术，通过利用激光光束的干涉效应，可以实现对目标物体的形状、表面特征以及运动状态等参数的测量。
激光干涉技术具有高精度、非接触和实时性等优势，被广泛应用于机械振动测量领域。
1.2 机械振动测量的意义机械振动测量是研究和评估机械系统动态性能的重要手段。
通过对机械振动的测量和分析，可以了解机械系统的结构特性、工作状态以及可能存在的故障或缺陷。
因此，机械振动测量在机械设计、故障诊断和结构动力学研究等领域具有广泛的应用前景。
二、激光干涉技术测量原理2.1 光的干涉原理光的干涉是指两个或多个光波相互叠加时产生的明暗交替的干涉条纹。
干涉条纹的出现是由于光波的相位差引起的，根据相位差的不同，干涉条纹会呈现出不同的明暗程度。
2.2 激光干涉技术测量原理在机械振动测量中，通常使用Michelson干涉仪或Fizeau干涉仪来实现激光干涉测量。
这些干涉仪利用激光光束的相干性和干涉效应来测量目标物体的振动情况。
激光干涉技术的基本原理是：将激光光束分成两束，分别射向目标物体和参考面，经过反射后再次汇合成一束光。
由于目标物体的振动，其表面会引起光程差的变化，从而产生干涉条纹。
通过对干涉条纹的分析和处理，可以得到目标物体的振动参数。
三、激光干涉技术的应用3.1 机械结构振动测试激光干涉技术可以用于对机械结构的振动进行测量。
通过将激光束射向机械结构表面，并利用干涉条纹的变化来获取结构的振动频率、振幅等参数，从而评估结构的稳定性和振动特性。
3.2 高精度位移测量利用激光干涉技术可以实现对物体位移的测量。
通过测量干涉条纹的移动情况，可以获取物体的位移信息，达到亚微米甚至纳米级的测量精度。
这在精密加工和微观物体测量等领域具有重要的应用价值。
3.3 动态应变测量激光干涉技术还可以实现对物体动态应变的测量。
当物体受到外力作用引起应变时，其表面形状会发生变化，从而改变干涉条纹的分布情况。
激光干涉绝对重力仪和原子干涉绝对重力仪技术发展综述说明书
绝对重力仪的技术发展:光学干涉和原子干涉吴书清1,2**,李天初1,2*1中国计量科学研究院时间频率计量科学研究所,北京100029;2国家市场监管总局时间频率计量基准重点实验室,北京100029摘要绝对重力仪是直接开展绝对重力测量的精密计量仪器㊂绝对重力测量是指对地球表面重力加速度值的直接测量,其在地球科学和计量科学等领域都有十分重要的应用㊂历史上最早的绝对重力测量约在1590年㊂1590~1960年,主要利用摆仪的摆长和自由摆周期来开展绝对重力测量㊂自1960年起,随着激光技术的发明,高精度绝对重力测量有了新的发展,人们开始利用宏观物体自由运动(自由下落或上抛)的方法开展绝对重力测量,形成了激光干涉绝对重力仪㊂1991年,美国斯坦福大学朱棣文教授小组首次利用冷原子团的自由运动进行绝对重力测量,实现了第一台原子干涉绝对重力仪㊂中国计量科学研究院是我国最早开展绝对重力仪研制的单位,本文结合中国计量科学研究院绝对重力仪研制经验,综述了激光干涉绝对重力仪和原子干涉绝对重力仪的技术发展,尤其是激光技术的发明对绝对重力仪的技术发展带来的革命性技术变革㊂关键词原子与分子物理学;重力加速度;绝对重力测量;绝对重力仪;光学干涉;激光冷却;原子干涉中图分类号 O435文献标志码 A d o i:10.3788/A O S202141.0102002 T e c h n i c a l D e v e l o p m e n t o f A b s o l u t e G r a v i m e t e rL a s e r I n t e r f e r o m e t r y a n d A t o m I n t e r f e r o m e t r yW u S h u q i n g12**L i T i a n c h u12*1T i m e a n d F r e q u e n c y M e t r o l o g y D i v i s i o n o f N a t i o n a l I n s t i t u t e o f M e t r o l o g y B e i j i n g100029C h i n a2K e y L a b o r a t o r y o f T i m e a n d F r e q u e n c y o f S t a t e A d m i n i s t r a t i o n f o r M a r k e t R e g u l a t i o n B e i j i n g100029C h i n aA b s t r a c t A b s o l u t e g r a v i m e t e r i s a p r e c i s e m e t r o l o g i c a l i n s t r u m e n t f o r a b s o l u t e g r a v i m e t r y A b s o l u t e g r a v i m e t r y r e f e r s i n p a r t i c u l a r t o t h e m e a s u r e m e n t o f a c c e l e r a t i o n o f g r a v i t y o n t h e e a r t h d i r e c t l y w h i c h f i n d s i m p o r t a n t a p p l i c a-t i o n s i n e a r t h s c i e n c e s a n d m e t r o l o g y T h e e a r l i e s t a b s o l u t e g r a v i m e t r y w a s p e r f o r m e d i n t h e y e a r o f1590F r o m 1590t o1960p e n d u l u m p r i n c i p l e w a s t h e m a i n m e t h o d t o p e r f o r m t h e a b s o l u t e g r a v i m e t r y F r o m1960w i t h t h e i n v e n t i o n o f t h e l a s e r t e c h n o l o g y p e o p l e b e g a n t o u s e l a s e r a b s o l u t e g r a v i m e t e r t o p e r f o r m t h e a b 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o l u t e g r a v i m e t e r i n N I M w e r e v i e w t h e t e c h n i c a l d e v e l o p m e n t o f l a s e r a b s o l u t e g r a v i m e t e r a n d a t o m i n t e r f e r o m e t r y a b s o l u t e g r a v i m e t e r e s p e c i a l l y r e v e a l s t h e r e v o l u t i o n a r y c o n t r i b u t i o n t o t h e d e v e l o p m e n t o f a b-s o l u t e g r a v i m e t r y d u e t o t h e i n v e n t i o n o f l a s e r t e c h n o l o g yK e y w o r d s a t o m i c a n d m o l e c u l a r p h y s i c s a c c e l e r a t i o n o f g r a v i t y a b s o l u t e g r a v i t y m e a s u r e m e n t a b s o l u t e g r a v i m e-t e r l a s e r i n t e r f e r o m e t r y l a s e r c o o l i n g a t o m i n t e r f e r o m e t r yO C I S c o d e s0203320020701012031801203930收稿日期:2020-08-04;修回日期:2020-09-16;录用日期:2020-09-17基金项目:国家重点研发计划(2016Y F F0200206,2018Y F F0212401)㊁国家自然科学基金(11704361)*E-m a i l:l i t c h@n i m.a c.c n;**E-m a i l:w u s h q@n i m.a c.c n0102002-11 引 言重力加速度随着时间和空间而不断变化,重力加速度测量按照测量结果分为绝对重力测量和相对重力测量,绝对重力测量通常为相对重力测量提供参考标准,是保证所有重力加速度测量结果具有溯源性和准确性的必要手段㊂在国际单位制(S I)中,重力加速度的单位是m ㊃s -2;在实际应用中,通常用 伽 (1G a l =1ˑ10-2m ㊃s -2)㊁ 毫伽 (1m G a l =1ˑ10-5m ㊃s -2)和 微伽 (1μG a l =1ˑ10-8m /s 2)来表征重力加速度的测量结果㊂重力加速度测量在计量科学㊁资源勘探㊁海洋监测等领域有着广泛的应用,它既是航天器飞行等无源导航的主要方法,又是开展地球科学研究㊁揭示地球物理现象的关键手段㊂目前,激光干涉绝对重力仪和原子干涉绝对重力仪是开展绝对重力测量的主要手段;国际上激光干涉绝对重力仪的合成标准不确定度最优可达到1.8μG a l,原子干涉绝对重力仪的合成标准不确定度最优可达到4.5μG a l㊂与原子干涉绝对重力仪相比,激光干涉绝对重力仪起步时间早,发展更为成熟,以F G 5/F G 5X 为代表的商用产品已成为相关行业主要使用的仪器,在历次绝对重力仪国际比对中也占据绝对主导地位㊂与激光干涉绝对重力仪相比,原子干涉绝对重力仪无机械磨损㊁测量效率和灵敏度高,具有非常好的发展前景㊂本文简要阐述了激光干涉方法和原子干涉方法开展绝对重力测量的原理,概括性介绍了激光干涉绝对重力仪和原子干涉绝对重力仪的研究现状和技术进展㊂最后,对绝对重力测量的未来发展方向进行了讨论与展望㊂2 激光干涉绝对重力仪2.1 基本原理在地球表面及其附近,物体在真空环境中自由下落的位移随时间变化的关系可以表示为z (t )=z 0+v 0t +12g 0t 2+g z 16g 0t 3+124g 0t 4,(1)式中:z 0为第一个测量点的位置;v 0为落体在此处的初始速度;g 0为此处的重力加速度;g z 为此处的重力梯度垂直分量㊂实际情况中,落体的下落距离一般小于0.5m ,该段内重力梯度垂直分量g z 近似为定值,此时(1)式可以改写为z (t )=z 0+v 0t +12[g 0+g z z 1(t )]t 2,(2)z 1(t )=13v 0t +112g 0t 2㊂(3) 因此,在g z 未知或已知但精度不高时,通过测量物体在真空中的自由下落轨迹z (t )并对其进行二次拟合,可以求解出有效高度处的重力加速度值,理论上表示为g *=g 0+g zz 1(t )㊂(4) 这里的有效高度即与前面的z 1相关联,指的是在下落起点的正下方㊁与起点距离为z 1的高度㊂图1激光干涉式绝对重力仪的原理[2]F i g 1P r i n c i pl e o f l a s e r a b s o l u t e g r a v i m e t e r 2目前典型的激光干涉绝对重力仪分别以激光波长和原子钟作为长度基准和时间基准,内部装有角锥棱镜的落体作为敏感元件[1],落体在真空中自由下落的运动加速度即为当地的重力加速度㊂角锥棱镜是一种可以保证反射光与入射光绝对平行㊁仅传播方向相反的特殊光学器件,以它为敏感元件可以自然消除水平扰动对垂直方向上重力测量的影响,大幅提高测量精度㊂绝对重力仪的主要光学测量结构为迈克耳孙干涉仪,如图1所示[2]㊂激光器发出的光束经准直后到达分光镜,一路作为参考臂,光程保持不变,沿水平方向传播;另一路作为测量臂,光束垂直向上,先被自由下落的落体棱镜反射,垂直向下入射到参考棱镜中,被反射后重新回到分光镜,与参考臂合光,形成干涉㊂光电探测器采集该干涉条纹信号,将其转换成电信号后,通过数据采集卡传输至信号处理系统中㊂自由下落棱镜相对于参考棱镜移动λ/2(λ为激光波长)距离时,干涉条纹信号变化一个整周期㊂结合铷原子钟的时钟信号,可以得到条纹信号幅值为零时的所有时刻序列,即落体轨迹信号z (t ),对其进行二次拟合,即可求解出落体受到的重力加速度㊂需要注意的是,0102002-2迈克耳孙干涉仪是一种相对测量装置,实际求解出的重力加速度是落体相对于参考棱镜的运动加速度㊂因此,为了提高重力测量的准确性和稳定性,参考棱镜理论上应相对于惯性系静止㊂在实际使用中,普遍将参考棱镜放置在隔振系统中,以保证尽量减小其受到的外界振动干扰;或用拾振器采集其振动信号,从测量得到的落体轨迹信号中将其剔除,从而实现对重力加速度测量值的修正㊂2.2 技术实现激光干涉绝对重力仪的结构如图2所示,主要由真空下落系统㊁激光干涉系统㊁振动处理系统以及信号采集㊁处理与控制系统组成㊂真空下落系统主要包括真空腔㊁落体㊁传动系统㊂测量开始前分子泵抽出腔中空气,当真空度达到一定水平时,仪器可以仅依靠离子泵来维持腔内的真空㊂自由下落的落体为特制的机械部件,其内部固定角锥棱镜㊂传动系统包括电机及传动结构,用于完成落体的释放㊁承接与复位,从而实现重复测量㊂激光干涉测量系统主要包括激光器和迈克耳孙干涉仪,目前常用的激光器是频率稳定度较高且便携性较好的氦氖(H e -N e )激光器,波长λ=633n m ㊂干涉仪中的光电探测器的输出信号一般为模拟电压,经数据采集卡输入至信号处理系统中㊂提供稳定的时间基准的设备通常为铷原子钟,尺寸小巧㊁可以稳定输出10MH z 的正弦信号㊂振动处理系统可以用隔振系统或基于拾振器及修正算法的处理方法来实现㊂该类型的绝对重力仪一般配有完整的计算机和控制模块,后者可以辅助计算机中相应的控制软件,实现对电机㊁数据采集卡等设备的协调控制,保证测量正确㊁重复进行㊂激光干涉绝对重力仪发展至今,根据其仪器布局㊁落体运动方向㊁传动机构㊁振动处理方式可以划分出多种类型,下面逐一进行介绍㊂图2激光干涉绝对重力仪的组成F i g 2C o m po s i t i o n o f l a s e r a b s o l u t e g r a v i m e t e r 2.2.1 仪器布局早期的激光干涉绝对重力仪的结构布局与现在不太相同,其中最典型的是美国J I L A 实验室于20世纪80年代研制的J I L A 型绝对重力仪,如图3所示,其测量结果已经可以很清晰地反映出固体潮汐对重力值的影响[3]㊂该绝对重力仪的传动结构中采用了 无拖曳下落腔 来支撑和承接落体,可以明显减小空气的影响㊂同一实验室的研究人员同时为该仪器配备了一种名为 超级弹簧 的新型垂直隔振系统[4],可以大大减小地面垂直微振动对测量结果的影响㊂该垂直隔振系统目前已在多种激光干涉绝对重力仪中得到广泛使用㊂J I L A 型绝对重力仪具有一个明显的设计缺陷,就是其中的隔振系统与真空腔并排而非共线布置,不符合阿贝原则,导致其测量精度受限于水平微振动的影响㊂之后,J I L A 实验室进一步研制出F G 5型和F G 5X 型绝对重力仪,如图4所示,目前这两款重力仪已成为M i c r o -g La c o s t e 公司应用最广泛的商用0102002-3图3J I L A 型绝对重力仪[3]F i g3J I L A a b s o l u t e g r a v i m e t e r 3图4M i c r o -g La c o s t e 公司的F G 5和F G 5X 型绝对重力仪[5-6]F i g 4FG 5a n d F G 5X a b s o l u t e g r a v i m e t e r s f r o m M i c r o -g L a c o s t e c o m p a n y5-6产品[5-6]㊂F G 5系列绝对重力仪满足阿贝原则,仪器的测量精度有所提高,同时其自动化水平和可靠性也得到显著提升㊂在F G 5型绝对重力仪的基础上,F G 5X 型绝对重力仪增加了平衡质量,使得地面反弹效应对重力测量的影响降低,其测量不确定度已达到2μG a l㊂2.2.2 落体运动方向目前,绝大多数激光干涉绝对重力仪中,落体在释放前位于真空腔内顶部,自由下落后在底部被传动机构中的托盘承接,再被运输至顶部,从而实现仪器的反复测量,如上述F G 5型绝对重力仪㊂但也有部分仪器中的落体在释放前始终位于真空腔内底部,被弹射器射出,具有先上抛后下落的运动轨迹㊂这种方案有两大优势,一是运动路径对称,可以减少残余空气的干扰;二是最少只需测量两个落体经过的位置点便可在一次下落后计算出重力加速度㊂因此,早期真空腔的真空度受限时,采用这种方案可以用比同类的自由下落式绝对重力仪更为紧凑的实验结构来实现测量㊂此外,上抛式绝对重力仪采用激光干涉来实现多点测量后,相比具有相同高度的自由落体型绝对重力仪,落体的飞行时间更长,对应更大的数据量㊂从统计角度来看,地面微振动造成的影响也会更小㊂不过此类仪器中落体在被弹射时初速度中可能具有较大的水平速度分量,会导致科里奥利力对测量结果产生影响,这可能是一项影响最大的误差源㊂上抛式的绝对重力仪中最典型且目前精度最高的是意大利计量院研制的I MG C -02型绝对重力仪,如图5所示,实验人员利用该仪器对意大0102002-4图5I MG C 02型绝对重力仪[8]F i g5I MG C 02a b s o l u t e g r a v i m e t e r 8利火山活动进行长期监测并获得了珍贵数据[7-8]㊂2.2.3 传动机构激光干涉绝对重力仪普遍采用自由下落式落体释放方案,但不同型号的仪器中传动机构也存在差别,共有钢带㊁钢丝绳㊁凸轮㊁齿轮㊁齿条等多种形式㊂F G 5型㊁F G 5X 型绝对重力仪以及中国计量科学研究院(N I M )N I M -3A 型绝对重力仪采用的传动机构是钢带;清华大学T -1型绝对重力仪则采用钢丝绳进行机械传动;中国科学院测量与地球物理研究所I G G -02型绝对重力仪采用的传动机构是齿轮齿条㊂2005年,美国J I L A 实验室F a l l e r 等[9]在J I L A 型绝对重力仪的基础上研制出F G C 型凸轮式绝对重力仪,如图6所示,使得真空腔具有更低的高度和更为紧凑的结构,有利于提高测量效率㊂图6F G C 型凸轮式绝对重力仪[9]F i g 6FG C c a m t y pe a b s o l u t e g r a v i m e t e r 92.2.4 振动处理方式上述绝对重力仪普遍采用被动式或主动式垂直隔振系统来抑制地面振动对参考棱镜的影响㊂除此以外,还有一种抑制地面振动影响的方法是直接测量参考棱镜的振动信号并用该信号补偿测得的干涉信号以修正测量值,中国计量科学研究院研制的N I M 系列绝对重力仪即属于此类㊂1975年,中国计量科学研究院研制出我国第一台固定的自由落体式绝对重力仪,测量准确度为100μG a l ㊂1982年,几乎与国外同行同步,中国计量科学研究院完成了我国第一台可移动的绝对重力仪的研制,即N I M -1型绝对重力仪[10]㊂该仪器曾参与第一届绝对重力仪国际比对(I C A G ),测量结果的合成标准不确定度为20μG a l ,达到当时的国际先进水平㊂1985年,中国计量科学研究院成功研制了第二代的N I M -2型绝对重力仪,该仪器分别以碘稳频激光器和铷原子钟为长度基准和时间基准,测量落体轨迹中的大量位置点,从而计算出绝对重力值㊂与美国J I L A 实验室有所区别的是,该仪器首次采用地震计获得地面的微振动信号,并利用该信号对测得的落体运动轨迹进行补偿,在不使用隔振系统的情况下使测值的离散度得以大幅降低㊂N I M -2型绝对重力仪参与了第二次绝对重力仪国际比对[11],并在国内和区域内完成了大量验证性测量㊂在此基础上,中国计量科学研究院进一步研发完成了新一代N I M -3A 型绝对重力仪,并于2014年被国家质检总局批准为重力加速度社会公用计量标准装置,如图7所示㊂0102002-5图7N I M -3A 型绝对重力仪F i g7N I M -3A a b s o l u t e g r a v i m e t e r 除上述典型仪器外,法国乔治S .A.公司制造的G A 60型上抛式绝对重力仪是第一台可移动的商用绝对重力仪[12];日本东京大学地震研究所㊁俄罗斯计量院研制的绝对重力仪使用压电致动器来释放下落物体[13-14];德国马普研究所的R o t h l e i t n e r [15]也研制出了M P G -1和M P G -2型激光干涉式绝对重力仪㊂2.3 重力测量不确定度评估激光干涉绝对重力仪利用评估来分析测量偏差,对测量值进行修正,同时给出评估修正的不确定度㊂激光干涉绝对重力仪不确定度的B 类评估一般由以下几个部分组成㊂2.3.1 来源于仪器自身的误差1)时间与位移测量的准确程度根据落体的运动方程即(2)式,可以得到时间㊁位移的测量引入的重力加速度的不确定度分量为σgg=4σt t 2+σzz2,(5)式中:σt t 和σzz应分别通过铷原子钟和所用激光器的频率稳定度来计算㊂这两项引起的不确定度一般均在1μG a l 以内㊂2)空气阻尼通过下式可以计算出真空腔内残余空气的阻尼引起的重力测量偏差[5,16],Δg =F d m =1m A ρV v 4=A V v 4m m r P k B T,(6)式中:F d 为空气阻力;m 为落体质量;A 为落体表面积;ρ为平均气体密度;V ʈ476m /s 为氮气分子在T =300K 时的平均速度;v 为信号采集过程中下落物体相对于残余空气的最大速度㊂平均气体密度ρ又可以在已知真空腔真空度(气压)P ㊁玻尔兹曼常数k B ㊁室温T ㊁氮气分子质量m r 的情况下用理想气体状态方程推导得到㊂该项的修正值即可设定为此偏差值的相反数,后续分析同理㊂该项引起的重力测量不确定度一般在0.1μG a l 左右㊂3)温度梯度真空腔内的温度梯度导致残余空气形成气压梯度,从而引起重力测量偏差和不确定度㊂偏差值可以用下式估计[5]㊂Δg =P A c r o sT mΔT ,(7)式中:A c r o s 为落体在与垂直方向正交的平面内的截面积;T 为真空腔内的温度㊂利用常用参数估计,落体实际行程两端的温度梯度一般小于0.1K ,引起的不确定度约为0.1μG a l㊂4)光束垂直度和光束发散现有激光器发出的光束一般为高斯光束,具有一定的发散角,即使经过准直也不可能使发散角降为0㊂但使用激光干涉法测量落体轨迹时必须保证激光具有较小的发散角,且波矢方向沿垂直方向,否则会引入一般为0.5μG a l 左右的测量误差[15]㊂假设光束偏角θ为矩形分布,此时可以按照下式来计算光束垂直度引起的修正值和不确定度[17],Δg =θ24g 0,σg =Δg 3,(8)式中:重力参考值g 0取9.8m ㊃s -2即可㊂还可以按照下式来计算光束具有ϕ的发散角时对应引起的重力测量偏差和不确定度,Δg g=ϕ24,σg =K ㊃Δg ,(9)式中:系数K 可以根据实际经验和所用激光器资料来选取,如10%㊂5)光速有限虽然光速远大于落体的运动速度,但毕竟光速有限,因此干涉条纹实际形成的时刻将略微滞后于测量臂光束的波前与反射镜相遇的时刻㊂这两个时刻的时间差称为延迟时间,会导致重力测值略大于真值,称为有限光速效应,在精度达到微伽量级的绝对重力测量中必须予以考虑㊂直接利用光速和理论公式来修正落体轨迹中的测量点时刻,并且修正后的时间位移对数据进行二次拟合的修正方法比较复杂和繁琐,研究人员一般不采用,而是在单次结束后直接修正此项测量引入的偏差[18-19]㊂干涉条纹信号给出的落体轨迹测量实际上是一组等位移间隔的时间位移对,根据如下公式可以计算利用最小二乘法来拟合时的修正值和不确定度[20]㊂Δg c =-g 03v 0c +127㊃g 0T c,σg =σv 0v 0Δg c ,(10)0102002-6式中:v 0和σv 0分别为落体的初速度及其不确定度;c 为光速,由此得到的不确定度一般也在0.5μG a l 左右㊂6)光电探测器的非线性效应激光干涉仪中的光电探测器采集激光干涉条纹信号时会对其进行放大,但此过程也会引入相移㊂由于实际条纹信号为含有频率变化的信号,当该相移为常量或在信号的频带内具有线性相频曲线时,引入的重力测量偏差为0;但如果该相频曲线具有非线性,则一定会引入重力测量偏差[5]㊂目前常用的光电探测器造成的该项不确定度一般在1μG a l 以内[5]㊂7)仪器本身的自吸引效应绝对重力仪自身对落体的万有引力会引起重力测量不确定度,这种现象称为自吸引效应㊂通过有限元分析等方法可以对该效应进行精确评估,偏差一般在2μG a l 以内,不确定度约为0.1μG a l [21]㊂8)落体旋转自由落体式的绝对重力仪中,在落体被释放的一瞬间,受释放机构转矩作用的影响,落体将具有微小的旋转角速度,在下落过程中具有微小旋转㊂落体自由下落期间只受重力作用,因此它将绕自身质心旋转,且角速度基本保持不变;但由于落体内的部件在加工和装配过程中存在误差,落体的质心不可能与其内部角锥棱镜的光心完全重合㊂激光干涉仪实际测量的重力值是角锥棱镜光心的运动加速度,其中包含了光心具有的向心加速度㊂落体质心与光心的距离矢量可以分解为水平方向与垂直方向两部分,水平矢量引起的向心加速度沿水平方向,与重力方向垂直,不会对测量造成干扰;但垂直分量会引入重力测量偏差和不确定度㊂由于每次下落的释放状态随机,落体的真实角速度并不统一,因此一般不讨论该项引入的偏差㊂相应的不确定度可以表示为σg =ω2m a x R m a x ,(11)式中:ωm a x 为落体可能的最大旋转速度;R m a x 为落体光心和质心间距的最大值㊂通过精确设计和调节真空腔内的传动机构的控制参数以及落体的加工和装配过程,可以保证ωm a x 和R m a x 在较小的范围内㊂一般而言,该项引入的测量不确定度为0.5μG a l左右㊂9)地面反弹效应在落体被释放的一瞬间,绝对重力仪的静态质量突然减小,导致仪器受到的地面支持力大于其自身的重力,称为地面反弹效应㊂这种效应本质上是一种发生在垂直方向上的受力不平衡,等效为一个瞬时冲击,可能导致隔振系统内的参考棱镜或激光干涉仪内的光学器件(包括分光镜等)产生微振动,从而对落体轨迹的测量引入误差㊂实际上该效应可能是高精度绝对重力测量不确定度的主要来源之一[5]㊂地面反弹效应同样具有随机性,因此也仅对该项的不确定度进行讨论㊂根据相关文献,利用下式可以从计算重力测值时的二次拟合残差(一般近似于正弦波形)中推导出地面反弹效应引入的不确定度[22],一般在0.1μG a l 左右[5]㊂σg =30πT 3㊃A 0f 0,(12)式中:T 为干涉条纹信号的持续采集时间;A 0和f 0分别为拟合残差波形的幅值和频率㊂10)有效高度的计算误差如前所述,落体的释放状态具有随机性,因此落体每次的下落轨迹都不可能完全相同,使得测量开始时刻(第一个采集到的数据点)对应的落体初速度v 0和重力加速度真值g 0都可能有所改变,从而在有效高度的计算中引入误差㊂通过实验测定测量开始时刻的落体速度不确定度和重力不确定度,将其代入有效高度的计算公式,配合测量点所在地的测量不确定度重力梯度,可以得到该项一般也为0.1μG a l 左右㊂总体而言,来源于上述大多数误差源的不确定度都可以通过使用精度更高的配套设备来降低,包括铷原子钟㊁激光器㊁光电探测器㊁光束准直器等;部分误差源造成的影响需要依靠研究人员的设计㊁调试及操作来降低,如光束垂直度引起的不确定度可以通过调节干涉仪的可动器件来减小,利用分子泵和离子泵进一步提高真空腔内的真空度可以减小空气阻尼,通过更为合理的机械设计可以减小温度梯度㊁落体旋转㊁仪器自吸引㊁地面反弹效应㊁有效高度计算等因素导致的不确定度;还有部分因素,如光速有限,可能需要更为复杂的软件算法才能降低其影响㊂目前正在使用中的各类绝对重力仪在配套设备精度的选择上基本一致,仪器自身不确定度的差异主要来源于研究人员在光机电设计方面的不同,由此导致每种类型重力仪的主导不确定度因素也有所不同,但基本上各类仪器的合成标准不确定度保持在10μG a l 以内㊂2.3.2 来源于测量环境的误差1)大气压强测量点所在地大气压强的增大等效于测量点上方大气质量的增大,使得大气对落体的万有引力增大,导致重力测值小于重力真值㊂可以通过引入气0102002-7压影响因子f B=0.3μG a l/h P a来修正此项影响,Δg=f B(p0-p n),(13)式中:p0表示重力测量点的实测气压,由具有不确定度的气压计测量得到,因此会引起重力测值的不确定度,一般为1~3μG a l㊂定期校准气压计可有效减小此项不确定度㊂p n=p s e a1-L h mT0g MR L,(14)式中:p n为标准大气压强,满足其中p s e a= 1013.25h P a为海平面标准大气压;h m为测量点所在地的海拔高度;L=0.0065K/m为垂直温度梯度;T0=288.15K为海平面标准温度;g= 9.80665m/s2为模型中所取地表重力加速度平均值;M=0.0289644k g/m o l为干空气的分子质量; R=8.31447J/(m o l㊃K)为理想气体常数㊂2)固体潮汐受太阳和月球对地球周期性变化的引力影响,地球重力场也具有周期性的变化㊂这种变化称为重力潮汐,其中造成地球形变的潮汐力称为固体潮汐,由此引起的重力加速度的变化一般在ʃ150μG a l 之间㊂因此进行绝对重力测量时通常会进行潮汐修正,具体的修正值可以通过专业软件如T s o f t等来计算㊂在一定的精度范围内,固体潮汐可以作为评估重力测值精密度的参考标准,即潮汐修正前的重力测值越靠近潮汐的理论变化曲线,则绝对重力仪的测量精密度越高㊂目前此项引入的测量不确定度仅为0.1μG a l左右㊂3)海洋负荷太阳与月球的引力除引起固体潮汐外还会引发海潮㊂海潮意味着地球表面的质量分布存在明显变化,因此也会引起重力值的变化,这种现象称为海洋负荷㊂海洋负荷引起的不确定度一般为0.3μG a l 左右,实际的重力变化幅度从近海至内陆逐渐递减㊂一般而言,现有的绝对重力仪进行24h的重复测量就可以将海洋负荷的影响降至最小㊂4)电磁力电磁力对绝对重力测量的影响可以根据其物理性质来分别讨论㊂首先,如果制作落体时采用了磁性材料,磁场效应将引起较大的重力测量偏差,因此现有绝对重力仪中落体的零部件一般均采用非磁性材料来制作,此时由外界磁场对落体的吸引和排斥非常小,该项测量偏差可以忽略不计㊂其次,制作落体的材料主要为各类金属,均属于导电材料,因此在磁场环境下落体的自由下落将产生涡流效应,形成与运动方向相反的阻力㊂构成该磁场环境的磁场源包括真空腔外的电机㊁离子泵中的磁铁等,形成的磁场在落体的实际运动范围内通常与地磁场在同一量级,所以目前主要的激光干涉式绝对重力仪在评估时通常忽略该项不确定度㊂然后,主要由金属材料构成的真空腔外壳将在落体外形成法拉第笼,使得真空腔外的电场不会对落体产生静电力,真空腔内也没有电场㊂最后,在自由落体式绝对重力仪中,只要采用同种材料制作落体与托盘上相互接触的部位(如前所述,托盘是带动落体上升至释放点并承接下落后的落体的传动部件),就可以保证两者之间几乎不存在接触电压,因此相应的静电力也可以忽略不计㊂5)极移地球的自转轴方向在最大惯性轴附近几米范围内进行周期性的运动,从而导致的最大重力值变化可达13μG a l㊂极移包含两个频率分量,周期分别为12个月和14个月,前者主要来源于地球作为一个刚体在大气环流影响下的受迫摆动,后者相当于地球作为一个弹性体的自由摆动[23-24]㊂重力测量的极移修正公式(单位:n m㊃s-2)由国际绝对重力基准网的绝对观测数据处理标准给出㊂Δg=-1.164ω2a2s i nφc o sφ(x p c o sλ-y p s i nλ),(15)式中:ω为地球自转角速度(单位:r a d/s);a= 6378136.6(1)为水准椭球半长轴;φ和λ分别为地理纬度和地理经度(单位:r a d);x p和y p是极坐标(单位:r a d),由国际地球自转服务(I E R S)网站提供[25]㊂该项改正一般用于计算重力测值的修正值,引入的测量不确定度很小,可取为0.1μG a l以内㊂6)科里奥利力受地球自转的影响,如果落体的速度在自由下落的过程中具有东西方向的水平度分量,则落体受到的科里奥利力会有垂直方向上的分量,由此引起的重力测量偏差为Δg=2ΩN v E W c o sφ=14.5μG a lmm㊃s-1v E W c o sφ,(16)式中:ΩN为地球的标称角速度;v E W为落体速度在水平面东西方向上的分量;φ为重力测点的地理纬度㊂该项引起的测量不确定度一般约为0.3μG a l㊂3原子干涉绝对重力仪3.1基本原理原子干涉绝对重力仪基于冷原子物质波干涉原0102002-8。
2023年激光干涉仪行业市场环境分析
2023年激光干涉仪行业市场环境分析激光干涉仪是一种高精度的光学测量仪器，广泛应用于汽车、航空、电子、半导体、机械制造等领域。
随着科技进步和制造业的发展，激光干涉仪在市场中的应用越来越广泛。
本文将从市场趋势、竞争格局、市场需求等方面进行激光干涉仪行业市场环境分析。
一、市场趋势1.高端市场需求增长高精度测量仪器在航空、制造、电子等高端领域应用需求较高。
近年来，航空航天、新能源、高速铁路、重大基础设施建设等领域不断发展，对高精度测量仪器提出了更高的技术要求。
随着这些领域的发展，激光干涉仪在高端市场中的市场份额将逐步提升。
2.智能化需求增加技术进步推动了激光干涉仪向智能化方向发展。
智能化激光干涉仪具有自动化、便携式、可远程控制的特点，并具有高精度、高速度、无损伤等优点。
此外，智能化激光干涉仪还可以与计算机网络连接，实现数据共享和远程监控。
3.市场需求复杂多样随着激光干涉仪应用场景的多元化，市场需求变得越来越多样化。
不同行业和应用领域对激光干涉仪要求不同，如航空航天行业对激光干涉仪的要求较高，而教育科研领域对激光干涉仪的需求则较为普遍。
二、竞争格局激光干涉仪市场竞争激烈，主要竞争者包括国际企业和国内企业。
国际企业具有技术先进、产品质量稳定、市场份额大等优势，但价格较高。
国内企业虽然起步较晚，但优势在于价格更具竞争力，并且能充分满足国内市场的需求。
而且随着技术的不断进步，国内企业的产品质量也逐渐提高。
三、市场需求1.汽车行业随着汽车工业的飞速发展，汽车行业对激光干涉仪的需求日益增长。
激光干涉仪在汽车制造中可以用于零部件的高精度测量以及车身装配的定位和配合，因此激光干涉仪在汽车行业中有着广泛的应用。
2.电子行业激光干涉仪在电子行业中主要用于PCB线路板、电视屏幕、光学玻璃、液晶显示器等的质量控制和检测。
电子产品质量要求高，因此在电子行业中，激光干涉仪具有广泛的应用前景。
3.机械制造激光干涉仪在机械制造中广泛应用于金属成型、3D打印、数控加工等领域，对机械零部件的测量、检测和精度控制起到了至关重要的作用。
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度、均匀程度等却能进行细致的描述。
从R t 、R z 、R 3z 三个参数定义上可以看出:R t 表示所测轮廓网纹沟槽的最大深度;R t 、R z 代表了平台网纹深沟槽分布及变化趋势,R z 、R 3z 代表了平台网纹深沟槽的宽度、深度的均匀程度,即重复分布情况。
这三个参数可用于分析选用珩磨油石条的尺寸、粒度及磨条的涂层性能对表面沟纹的影响,同时避免人工目测沟槽深度及分布的误差。
5 结论结合气缸套的平台网纹本身的特点及气缸套的工作状况,确立了基于轮廓支承度率曲线、幅度分布曲线、轮廓高度三个方面的参数指标,这套评定指标能够对气缸套内表面粗糙度轮廓的磨合特性、润滑特性、网纹分布等进行对应的定量分析,实现完整、准确地描述及评价气缸套平台网纹,同时能反映气缸套加工制造过程的不足之处,进而指导调整工艺参数。
参考文献1 谢旭华,刘 芬.气缸套平顶珩磨表面磨合特性测定方法探讨.现代制造工程,2002(8)2 梁全顺.柴油机气缸套内表面平台珩磨网纹技术的探讨.内燃机车.2001(11)3 德国工业标准DIN4768.1990.54 袁长良,丁志华,武文堂.表面粗糙度及其测量.北京,机械工业出版社.1989,10第一作者:李伯奎,江苏淮阴工学院机械系,223001江苏省淮安市收稿日期:2003年3月激光干涉仪技术及发展羡一民 王科峰成都工具研究所由于激光具有极好的时间相干性,其相干距离可以达到数公里,所以自激光问世以来,以激光为光源的激光干涉仪一直被人们所关注,其应用范围不断扩展,激光干涉仪技术也不断发展,出现了各种形式的激光干涉仪。
1 单频激光干涉仪和外差激光干涉仪尽管存在各种形式的激光干涉仪,但从原理上讲,可以归结为单频激光干涉仪和外差激光干涉仪两种基本类型。
通常用于长度测量的激光干涉仪采用Machel son 干涉仪系统,图1为单频激光干涉仪原理示意图,分光器BS 将激光分为2束,一束射向定镜R,另一束射向动镜M,当动镜M 移动时,经R 和M 的反射光在O 处汇合产生干涉,由于分光器金属膜的附加相移性质,光电探测器D1、D2接受的信号相位差为90 ,用于计数器的方向辨别。
图1 单频激光干涉仪图2为外差激光干涉仪的原理示意图,偏振方向相互垂直的同轴双频激光被分光镜BS 分为二部分,反射部分经检偏器P 1由光电探测器D 1接受,作为系统的参考信号;透射部分在偏振分光镜PBS 处按偏振方向分解,一路指向定镜R,频率为f 1;另一路指向动镜M,频率为f 2。
当动镜M 移动时,返回光产生多普勒频移 f ,f 2+ f 与f 1两光束在偏振分光镜PBS 汇合,经45 放置的检偏器P 2,由光电探测器D 2接收。
图2 外差激光干涉仪在Machelson 干涉仪系统中光程的变化是动镜位移的2倍,多普勒效应可以用下式表示f =2V Cf式中C 为光速,V 为动镜的移动速度,f 为光频。
设L 为动镜的移动距离,则有L =lV d t =lfC 2f =2lf d t此式即激光干涉仪的测量原理式,不管是单频激光干涉仪还是外差激光干涉仪,位移信息均载在 f 上。
由于频率的时间积分为周期数N ,所以上式简化为L =N2式中 为激光在测量时刻的波长值。
在图1和图2中,光电探测器所接受的是相同偏振方向的光波叠加,设二束光的平面波动方程为E (1)=E 1exp{-i (2 f 1t - 1)}E (2)=E 2exp{-i (2 f 2t - 2)}式中E 1,E 2,f 1,f 2, 1, 2分别为二束光的振幅、频率和初相位,此二束光叠加的合成振幅E 为E =E (1)+E (2)合成光强的变化周期数即激光干涉议测量原理式中的N 。
合成光强I 为I =|E |2=E E **=[E 1exp{-i (2 f 1t - 1)+E 2exp{-i (2 f 2t - 2)}] [E 1exp{i (2 f 1t - 1)}+E 2exp{i (2 f 2t - 2)}]=E 12+E 22+2E 1E 2cos[2 (f 2-f 1)t +( 2- 1)]=E 12+E 22+2E 1E 2cos{2 [(f 2-f 1)+ f ]t }}上式是二个不同频率的光干涉叠加的结果,也即外差干涉的方程式,如果f 1=f 2,则变为单频激光干涉仪的干涉方程式I =E 21+E 22+2E 1E 2cos2 ft比较以上两式,可以得到表1。
表1 单频激光干涉仪和外差激光干涉仪从表中可见外差激光干涉仪的测量信息 f 是叠加在一个固定的频差(f 2-f 1)上的,属交流系统,而单频激光干涉仪的测量信息 f 是叠加在一个直流分量(E 21+E 22)上的,属直流系统,这是两种类型激光干涉仪的本质区别。
2 几种激光干涉仪系统通用型激光干涉仪主要用于现场,与在实验室中使用的专用激光干涉仪相比,要求具有更高的测量速度、测量距离和抗干扰能力,因此要求激光干涉仪系统必需有足够的带宽和增益,下面是几种典型的激光干涉仪系统。
2 1 单频激光干涉仪单频激光干涉仪是最早出现的激光干涉仪系统,但是由于直流漂移的影响,多用于实验室的专用设备中,在相当时期内没有推广到现场使用。
图3 补偿型单频激光干涉仪图3是一种带有补偿的单频激光干涉仪(1),线偏振光通过1/4波片Q 1成为圆偏振光,在偏振分光器PBS 的分光面上分解为P 、S 二个分量,在动镜M 移动时,P 光产生多普勒频移 f ,S 光频率不变,2束光返回后经1/4波片Q 2成为带有干涉信息的旋转线偏振光,P 1、P 2、P 3为检偏器,其光轴方向依次相差45 ,干涉信号由光电接收器D 1、D 2、D 3,接受并输入到运算放大器。
D 1、D 2、D 3接受的三路信号相位依次为0 、90 、180 ,它们对应的光程是完全一致的,有效地补偿了由于测量距离过长引起的信号衰减和各类干扰。
单频激光干涉仪的测量速度在原理上没有限制,主要取决于放大器的带宽和电子器件的速度。
Renisho w 公司的单频激光干涉仪的测量速度可达1000mm/sec 。
用于单频激光干涉仪的稳频方法主要有Lamb 凹陷法和双纵模稳频法,La mb 凹陷法根据由于增益介质的增益饱和,使激光器的输出在中心频率处出现凹陷的特点,利用压电陶瓷来控制腔长,这种方法多用于使用环境较好的系统;双纵模稳频法利用控制激光输出的二个纵模强度来控制腔长,由于模式竞争,二个输出纵模取相互垂直的偏振状态,抑制其中一个偏振,从而得到单频激光,是目前常用的单频稳频方法。
2 2 基于塞曼效应的双频激光干涉仪双频激光干涉仪属外差式激光干涉仪。
全内腔激光器置于磁场中,Ne原子的能级发生塞曼分裂,当磁场轴向放置时,激光器的输出为具有一定频差的两个方向相反的圆偏振光,而在磁场横向放置时,激光器的输出为具有一定频差的两个偏振方向相互垂直的线偏振光,以这样的光源构成的双频激光干涉仪原理如图2,光电探测器D1接受的是频差信号(f2-f1),作为参考信号;光电探测器D2接受的信号频率是[(f2-f1)+ f].这二个信号在信号处理系统中的减法器S相减,得到 f值。
由于双频激光干涉仪是交流系统,具有优异的系统增益和抗干扰能力,不存在直流漂移,所以从1970年HP公司推出第一台基于纵向塞曼效应的双频激光干涉仪后,在相当时期内,这种系统垄断了干涉仪市场。
外差式激光干涉议的测量速度受到两束光的频差大小限制,根据前述的多普勒效应方程式可得到f 3.3V在HP5528系统中,双频频差为1 8MHz,测量速度为300mm/sec,可以算出,此时多普勒频移变化1MHz,要求交流放大器的带宽为0 8~2 8MHz,显然,系统的测量速度高要求双频频差高,但是在塞曼效应的激光器中,频差高到一定程度,模牵引效应消失,频差也消失。
这也是基于塞曼效应效的双频激光干涉议的测量速度难以提高的原因。
一般,横向塞曼效应产生激光频差一般在几百kHz以内,纵向塞曼效应产生的激光频差可以达到3 4~4MHz (HP5517D激光头)。
2 3 双纵模激光干涉仪激光器输出的纵模间隔为VL=C/2n L0式中C为光速,n为激光器腔内折射率,L0为激光器的腔长。
选择激光器腔长,使其在多普勒带宽之内主要有二个纵模输出,可得到高频差的双频激光,例如选择腔长220mm,可得到频差为680MHz的双频激光。
双纵模激光干涉仪采用等强度的稳频方法,由于频差大,原理上可以达到极高的测量速度,如Zeiss公司的ZLM300系统的测量速度可达6400mm/ sec,但是高频差也使光电接受、信号处理更为困难。
激光干涉仪是以波长作为测量基准的,大频差造成的两束光的波长差别是不能忽略的,可以计算,在频差为680MHz时,可以引起1.36 m/m的误差。
因此必须确认产生多普勒频移的激光波长作为测量的基准。
也由于此,双纵模激光干涉仪也难以应用在角度测量,直线度测量这样的利用差动原理的测量项目。
2 4 基于声光频移的双频激光干涉仪图4和图5为Zygo公司的基于声光移频的双频激光干涉仪的激光头简图(2),双纵模稳频的激光器输出激光,由检偏器P抑制一个纵模输出,线偏振的单频激光以Bragg角 入射到声光频移器,衍射的0级输出保持原频率f1和原方向,1级输出偏转一个- 角,并产生频移,频移后的频率变为f2,此频移(f2-f1)是声光偏转器中的声波频率,也即由晶体振荡器产生的驱动频率。
0级光和1级光经过一个双折射棱镜各自按照偏振方向分离,通过一个孔栏A得到了同轴的,具有频差(f2-f1)的,偏振方向相互垂直的双频激光。
图4 声光移频激光头图5 声光频移的光学处理声光移频激光器可以提供很高的双频频差,如Zygo公司的AXIOM2/20系统的双频频差为20Mhz,测量速度为1600mm/sec.这是基于塞曼效应激光干涉仪难以做到的。
声光频移基于B ragg衍射,为保证激光经多个声波波前反射后实现多光束相干,必需保证d >> 2式中d为声光介质厚度, 为输入激光波长, 为声波波长。
从式中可见,由于存在声光介质厚度d,声波频率不可能过低,也即由声光频移产生的双频激光的频差不可能过低,一般在几十MHz到几百MHz,这样对系统的硬件速度又提出了更高的要求。
采用声光移频技术,可以使激光干涉议的光学系统大大简化,如2束光的频差取决于电路中的晶体振荡器,可以直接在电路中得到,与图2所示的外差式激光干涉议相比,可以省去一套参考信号的接受光路(如图2中的B S、P1、D1)。
又如声光频移器的输出为二束分离的f1和f2光,若将f1光直接射向动镜,当动镜移动时,返回光为(f1+ f),此光在激光头内与f2光叠加,便可得到[(f2-f1)+ f],省去了图2中的由偏振分光器PBS和定镜R组成的 外置干涉仪 ,这样的光学布局的优点是使激光干涉仪机构体积大大减小,但是在使用中,一定要特别注意 闲程误差 (Deadpath error)的影响[3]。